[发明专利]一种基于重金属诱导有机半导体薄膜结晶取向的喷墨打印方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于重金属诱导有机半导体薄膜结晶取向的喷墨打印方法。

背景技术

有机电子材料和器件由于其具有柔性、轻型、易加工及可通过分子设计调控性能等特点，近年来受到广泛关注和深入研究。微图案化加工技术是实现电子器件及其集成加工的必要手段，也是有机电子研究领域的一个热点问题。许多简单高效的非传统图案化加工方法被开发出来并应用于有机电子器件的加工中，主要包括丝网印刷、刚性掩模技术、软印刷、纳米压印、激光热传递打印、喷墨打印等。这些技术充分发挥了有机材料易加工的特点，同时可以在图案化过程中保护有机电子材料的性能不会因为加工工艺的原因受到损害。

近年来，有机薄膜晶体管(organic thin film transistor,OTFT)器件的研究和应用快速发展，作为下一代新的显示技术备受人们的关注。与硅基晶体管相比，OTFT具有更多的优点：首先有机薄膜的制备方法灵活简便，如Langmuir-Blodgett（LB）技术、分子自组装技术、真空蒸镀、喷墨打印等；其次有机薄膜的制备工艺对设备要求比较低，不需要高温热处理，从而降低了生产成本。同时，使用有机材料可以通过适当地修饰有机分子结构来改善OTFT器件的性能。除此之外，OTFT器件还具有很好的柔韧性，携带起来更加方便。有研究表明，对“全有机”晶体管（全部用有机材料制成的晶体管）进行适度地扭曲或弯曲，并不会明显地改变器件的电学特性，这种优良的特性进一步拓宽了OTFT的使用范围。

在学术界和工业界，溶液法制造OTFT得到越来越多的关注。比起其它方法，基于有机溶液的OTFT工艺由于其低温和无需真空的制造过程，具有可低温制造、制造成本低等优点，已经引起广泛关注。而喷墨打印是目前用于制备OTFT器件的最有前途的溶液法之一。喷墨打印技术是将数字图形直接通过相应设备传递到衬底上形成图案化薄膜，因此不需要原始的模板，同时可以高效的实现有机薄膜在柔性和大面积基底上的图案化加工，因此被认为是最具有工业化前景的技术。其中喷墨打印技术可充分发挥有机分子可溶液加工的特点，同时对基底材质没有特别要求，因此被用于高分子有机发光二极管、高分子有机薄膜晶体管及其集成器件的加工中，得到了性能较好的薄膜器件。

在溶液处理的OTFT材料中，6,13-双(三异丙基甲硅烷基乙炔基)并五苯(TIPS-PEN)因其高迁移率和开关比已被广泛用作OTFT的有源层。然而TIPS-PEN薄膜由于其晶相形貌和取向的差异，导致在一个基片上打印的薄膜在电学性能上有很大差异。控制好薄膜的厚度均匀性和结晶行为，是提高TIPS-PEN等小分子有机半导体薄膜场效应迁移率和单个器件性能的必要过程，也是提高相应器件性能均匀性的有效手段。

实验研究表明，衬底与墨水中溶质分子的相互作用，特别是衬底与溶质分子间的范德华力是影响墨水干燥成膜过程的关键因素，较大的衬底表面能色散分量有利于溶质分子在溶液边缘发生固定和自组装生长形成较大尺寸的晶体薄膜。现有的方法有：以TIPS-PEN为溶质，二氯苯为溶剂配制墨水。通过加入十二烷，诱导产生马兰戈尼流动，配合溶剂蒸发引起的径向流动形成环流，藉此完成单点的自组装过程，使其具有中心辐射状的结晶取向。但该方法的有效性仅在单点打印工艺中得到了验证，而对于打印单线条或多线条组成的薄膜，由于液体比表面积的下降，该方法的实施效果并不理想。此外，以TIPS-PEN为溶质，以四氢化萘为溶剂配制墨水。通过在绝缘层上旋涂PαMS层，在70℃下打印形成双组分共混物，干燥时通过垂直相分离作用完成自组装膜，相应的薄膜具有较好的均匀性。该方法的缺点是需要采用较高的工艺温度且制备工艺复杂。因此，有必要开发新的替代技术来拓展喷墨打印技术的应用范围。

发明内容

为了解决喷墨打印中墨水各向同性的铺展行为带来的结晶取向的不确定性，本发明提出采用重金属诱导有机半导体薄膜结晶取向的喷墨打印方法，通过简单的低成本工艺，利用固相表面诱导作用控制溶液中有机半导体分子的自组装成膜过程，在提高薄膜厚度均匀性的同时，形成有利于电子迁移的结晶取向。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：